电渣生产高氮钢保氮工艺研究

闫咏春， 李建军

（山西太钢不锈钢股份有限公司， 山西 太原 030003）

试（实）验研究

电渣生产高氮钢保氮工艺研究

闫咏春， 李建军

（山西太钢不锈钢股份有限公司， 山西 太原 030003）

研究了高氮钢电渣过程氮损失机理，分析了电渣过程氮损失原因，论述了熔渣组成及冶炼工艺，认为产生氮损失的原因是冶炼过程中功率太大，致使钢中N原子相互结合形成N2。可通过优化电炉钢的成分、选择低合适熔点的渣系、适当降低冶炼功率来降低N损失，效果显著。

电渣重熔 高氮钢 氮损失 低熔点的渣系

高氮钢是指N含量超过大气压力下N的溶解度极限的含氮钢或含氮合金，通常将铁素体基体中w(N)＞0.08%或奥氏体基体中w(N)＞0.40%的钢定义为高氮钢。高氮钢作为一种性能优良、环保节能的新型钢铁材料，目前正日益受到人们的青睐。在机械、石油钻探、化工、运输、生物材料、体育器材等领域得到广泛应用。许多高氮钢（如护环钢、无磁钢等）为提高材料的纯净度、提高探伤级别，需要进行电渣重熔。但是，在初次重熔过程中发现N损失较大，致使材料的强度降低，耐蚀性变差，严重影响了使用。

1 试验过程

1.1 化学成分

本次开发电渣重熔高氮钢，要求最终成品成分见表1。

表1 一种新型高氮钢的化学成分 %

1.2 工艺流程

该高氮钢全过程生产的工艺流程：电炉冶炼→AOD炉精炼→LF炉精炼→模铸→锯切→电渣重熔→锻造→检验。

其中自耗电极氮合金化大部分在AOD炉精炼过程中进行，通过LF炉进行微调。电渣重熔后N的检验需要在锻造后在锻材上取样分析。

1.3 试验设备

本次试验采用非保护气氛电渣炉生产，结晶器公称容量为5 t，结晶器和自耗电极的规格见表2。

表2 结晶器和自耗电极的规格

熔渣组成：m（萤石）∶m（氧化铝）=7∶3。渣量：160 kg。

1.4 重熔工艺

采用熔速控制方式，具体内容见表3。

表3 电渣过程工艺

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

电渣结束后，从表面看电渣锭的底部有气孔；锻造后分析锻材的w(N)=0.53%，证明在电渣高氮钢时N烧损较大，高达500×10-6。经分析电渣锭底部的气孔是N原子结合的产物，以N分子的形式溢出，主要是由于冶炼过程中温度太高。

2.2 试验结果分析

高氮钢中的N以原子的形式存在于钢中，在电渣过程中，钢中部分N原子相互结合生成N分子，N分子再扩散到钢液表面脱溶所致。反应过程可表示如下：

该反应主要经历以下几步：N原子通过扩散到达反应界面；N原子在反应界面进行化学反应生成吸附态N分子；吸附态N分子脱附离开钢液。

化学反应与反应物的浓度、反应温度及扩散速度有密切的关系，该反应的产物为气体，溶解度现分别从以下方面叙述。

2.2.1 N在钢液中的溶解度

N溶解在钢液中的反应可表示为：

由式（1）可得出：N在钢中的溶解度遵循西华特（Sievert）定律，即钢中溶解的N与外界N2分压的平方根成正比。

该反应的平衡常数为：

式中：fN为N在钢中的活度系数；w[N]为N在钢中的质量分数；P0为标准大气压；PN2为反应条件下N2的分压。

对（2）式两边求对数，得：

不同的研究者得到的平衡常数是不一样的，这里使用R.DPehlke和J.F.Elliott的测量数据：

在多组分合金中N的活度系数表示如下：

?

从表4可看出：Mn、Cr、Mo可提高N在钢中的溶解度，而C、Si、Ni则降低N在钢中的溶解度。

将PN2=0.78，表1中的成分含量代入公式（7）可得：lgw[N]=-0.232 6，w[N]=0.585。

理论值与实际值0.58相比接近，说明N含量已经接近饱和。

高氮钢的N处于饱和状态，如果外界条件发生变化，如温度升高、N2压力降低等，N有从液态钢中析出的趋势，如果满足下述条件：

式中：PA为冶炼气氛氮分压；PM为钢液静压力；σ为表面张力；r为气泡半径。

从式（8）可以看出，为防止N脱溶，需要依靠提高冶炼气氛氮分压PA、增加钢水静压力PM、提高钢液的表面张力σ等措施来实现，但是由于非保护气氛电渣炉氮分压为恒定值0.78，大气条件下空气中φ（N2）=78%，电渣过程熔池较浅，钢水静压力PM变化不大，故可行的只有靠提高钢液的表面张力σ来实现，由于钢中[O]、[S]为表面活性物质，可大幅度降低钢的表面张力，故需要尽量降低钢中[O]、[S]的含量，适当提高钢液的表面张力σ。

2.2.2 温度

化学反应速度均与温度有密切联系，N的脱溶反应也不例外，通常情况下，温度越高，化学反应速度越快。此外，对N的溶解平衡进行分析，温度升高，钢中N的溶解度降低。电渣重熔过程中，熔渣的温度通常在1 600℃以上，原来在1 600℃得到的N平衡会被打破，部分N脱溶。

从以上分析看，为防止钢中的N脱溶，应降低电渣过程的温度。

3 第二次试验措施

在电渣工序中为降低N的损失，做了以下方面的调整：提高N在钢中的溶解度；降低电渣过程中渣池的温度；提高钢液的表面张力。具体措施如下：

1）电炉冶炼时提高N溶解度的元素按上限控制，降低N溶解度的元素按下限控制；

2）增加渣量，选用高电阻渣系，降低电渣过程的输入功率；

3）降低钢中的N和S的含量。

在第二次冶炼时，对自耗电极成分进行了控制，同时提高了Mn、Cr的含量，降低了S含量，具体成分见下页表5。

本次采用熔速控制和功率控制相结合的方法，具体内容见表6。

表5 一种新型高N钢的化学成分 %

表6 电渣过程工艺

熔渣组成：m（萤石）∶m（氧化铝）∶m（石灰）= 4∶3∶3。渣量：180 kg。

4 第二次试验结果

采取以上措施，表面质量有所改善，电渣锭钢锭表面比较平整，表面气孔基本消失，锻造后检验w（N）=0.555%，具体情况见表7。

表7 二次电渣前后N含量

对锻材进行探伤，缺陷尺寸符合Φ≤2 mm的要求，对其他性能进行检验，全部符合要求。

5 结论

1）高氮钢电渣过程N损失机理是由于原有的N溶解平衡被打破，部分N原子结合生成N2所致。

2）电炉冶炼过程中，增加提高N溶解度的元素含量可优化电炉冶炼成分，增加N的溶解度；降低S含量，提高钢液表面张力。

3）电渣过程中通过增加渣量、选用高电阻渣系、降低输入功率达到降低N烧损的目的。

（编辑：王瑾）

Study on Nitrogen Retention of High Nitrogen Steel by Electroslag

YAN Yongchun,LI Jianjun
（Shanxi Taigang Stainless Steel Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030003）

The high nitrogen steel electroslag process of nitrogen loss mechanism is studied.The reason of nitrogen loss in electroslag process is analyzed.The composition of slag and smelting process are discussed.Research shows that the loss of nitrogen has large power in smelting process,resulting in N2by N atoms combination.The N loss can be reduced by optimizing the composition of the EAF steel,selecting the slag system with a suitable melting point and reducing the smelting power properly.The effect is remarkable.

electroslag remelting,high nitrogen steel,nitrogen loss,slag system with low melting point

TF142

A

1672-1152（2017）03-0017-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.03.07

2017-04-22

闫咏春（1976—），男，山西祁县人，冶金工程硕士，毕业于北京科技大学，工程师，现就职于太原钢铁（集团）有限公司制造部，任职副部长。